实验一 高频丙类功率放大器要点Word文件下载.docx

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1.写出本次实验原理及原理图。

2.认真整理记录的测试数据及绘出相应曲线图。

3.对测试结果与理论值进行比较分析,找出产生误差的原因,提出减少实验误差的方法。

4.详细记录在调谐和测试过程中发生的故障和问题,并进行故障分析,说明排除过程和方法。

5.本次实验收获,体会以及改进意见。

二、实验仪器及实验板

1.双踪示波器（CA8020一台

2.高频信号发生器（XFG-7一台

3.晶体管直流稳压电源一台4.数字万用表一块5.超高频毫伏表（DA22一台6.直流毫安表一块7.高频丙类功率放大器实验板一块

三、实验原理及公式推导

高频谐振放大器的主要作用是使电路输出功率大,效率高;

主要特点是用谐振回路来实现阻抗变换,并且为了提高效率常工作在丙类状态。

高频功率放大器一般有两种:

窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。

前者由于频带比较窄,故常用选频网络作为负载回路,所以又称为谐振功率放大器。

而宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其它宽带高频功率放大器,以高效率,小失真得到较大输出功率。

因此一般都工作在丙类状态。

其导通角小于π,其通角小于π/2。

如图1所示是丙类功率放大器原理图。

图中LC谐振回路为集电极的负载,cE为集电极直流电源,bE为基极负偏置电源。

bU是高频输入信号,tUUbmbωcos=

可见,只有输入信号电压足够大时,即b

bbEEU'

+>

（bE'

为晶体管截止偏压时晶体管才导通。

显然电流的通角<

π/2,集电极电流CI呈脉冲形状,这个电流经集电极谐振回路选出CI的基波分量1CI,再经过变压器耦合,在LR上得到一个放大的基波功率,从而实现了丙类功率放大。

高频功率放大器是由输入回路,晶体管、负载和电源几部分组成。

1.高频丙类功率放大器的输出功率和效率。

为了便于计算脉冲电流ci,将晶体管的动态转移特性曲线becUi-用折线mg表示。

如图2所示。

由图2可知:

cos（'

（b

bbmmbbemcEEtUgEUgi'

-+=-=ω（1mg为跨导。

当θω=t时,0=ci

=θcos

bm

bb

UEE-'

（2

当0=tω时,1（（maxbm

bmmb

bbmmccUEEUgEEUgii-'

-='

-+===cos1（θ-bmmUg（3

由（1（2（3式得出:

θ

ωcos1coscosmax--⋅

=tiicc（4

因为丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲,是以ω为角频率的周期性函数。

故可用付里叶级数求系数方法来表示它的直流、基波分量,各次谐波分量的数值。

由付氏级数的系数求得:

cos1（cossin21max

0θπθ

θθωπ

π

--==

⎰-

cccitdiI

cos1（cossincos1

max

1θπθ

θθωωπ

ccmcittdiI

]

cos1（1（[

coscos（sin2cos1

2max

θπθθθωωπ

---==

nnnnnittdniIcccnm

上述三式可写成:

（0max0θαcciI=（1max1θαcmciI=（maxθαnccnmiI=

（,（,（10θαθαθαn为余弦脉冲电流ci的分解系数。

因此ci分解为付氏级数为:

tnItItIIicnmmcmcccωωωcos2coscos210++++=

在功率放大器中,主要研究它的输出功率和效率。

为什么要工作于丙类状态,从三极管输出功率来看:

dtEiPc

c

=

θπ

210

直流电源供给功率:

0ccdcIEP=

三级管输出功率:

e

mcemcoutRURIP2

121212

1==

eR为LR折合到集电极谐振回路初级的阻抗。

集电极效率:

1

2121101011θξεηgIIIIEUPPcmccmccmcdcout====

mcU1为集电极基波电压振幅,（1θg为波形参数,ξ为集电极电源电压利用系数。

为

了得到足够大的输出功率,应使它工作在临界状态。

使cmcEU=1,即1=ξ。

θθθ

θθξ

ηcossincossin21212

0101--=

=⋅=cmccmcIIII可以看出减少管耗cP,或者提高ξ和（1θg都可以提高放大器的效率。

这是因为:

（1要减少集电极损耗功率cP,则要求减少ceU。

当管内有较大电流ci时,ceU应尽量减少,最好在ci整个流通时间内ceU均很小,或者当ceU较大时,要尽量减少集电极电流

ci。

（2要提高集电极效率,则要求提高集电极电压利用系数ξ。

mcU1增大,ξ可增大,因为mcU1增大使ceU减小。

（tUEUmccceωcos1-=,所以,当ci较大时,ceU的减少使得管子集电极损耗cP减少,从而提高效率。

图3甲、乙、丙类三种工作状态

（3要提高效率,也可增大（1θg。

θ的减少,可使（1θg增大,于是提高效率。

θ减少,意味着减少ci与ceU均不为零的时间,这可用甲、乙、丙3种工作状态的集电极电压、电流波形来说明,如图3所示。

甲类在一个周期中都有ci流通,因而ceU正半周,也有ci,所以管耗大,效率低。

乙类ci只有半个周期流通,而且,当放大器的负载为电阻时,ci流通半周正好与ceU负

半周相对应,此时,ceU小,因而效率比甲类高。

丙类工作时波形,ci流通时间小于半个周期,当集电极谐振回路对激励信号谐振时,ci仅在ceU负半周瞬时值较大时流过,此时ceU较小,所以丙类比乙类效率高。

当2π

θ<

是否可能接近于零,得到最高效率呢?

当θ→0时,使得输出功率也显著下降,为了兼顾输出功率和不使激励功率过大,因而θ不能太小,从而限制效率提高。

一般情况下ππθ18

73-=

时,相应的集电极效率较大,η在80%-90%之间。

2.丙类功率放大器的负载特性丙类功率放大器的负载特性是指在cE、bE、bmU不变的条件下,各种电流输出电压,功率和效率等随eR变化的曲线。

因为高频功率放大器的工作状态取决于eR、bmU、bE和cE四个参数。

如果保持bmU、bE和cE不变,则工作状态仅取决于eR。

（1负载变化对工作状态的影响

如果保持bmU、bE和cE不变则eR变化影响工作状态的变化如图4所示。

从图4看出:

①动特性表示eR较小时,这时mcU1也较小,动态负载线1A在线性放大区,这种状态称为欠压状态。

在欠压状态,ci呈余弦脉冲。

②动特性随eR增加,动态负载线2A在临界线上,称这种状态为临界状态,此时ci还是呈余弦脉冲。

③动特性随eR继续增大,3A进入饱和区,此时ci呈凹脉冲,这种状态称过压状态,在过压状态,随eR增大,ci的幅度也迅速下降,但它的基波输出电压振幅基本不变,即cmcEU≈1。

（2负载eR变化对0cI、cmI、mcU1、outP、0P和η的影响。

当维持bmU、bE和cE不变时,放大器0cI、cmI、mcU1、outP、0P和η随负载阻抗eR变化。

因为emcmcRIU11=。

如图5:

在欠压区:

mcI1与0cI基本不变,仅随eR增加略有下降,mcU1也随eR增加而直线增加,cP管耗下降。

把放大器看成恒流源。

在过压区:

mcU1几乎不变,0cI和mcI1则随eR的增大也急剧下降。

把放大器看成恒压源。

从图5看出:

集电极电源输入功率00ccIEP=。

由于cE不变,因而0P与eR关系曲线和0cI曲线的形状相同。

放大器输出功率mcmcoutUIP112

1=

outP与eR关系是根据mcU1、mcI1两条曲线相乘求出来。

在临界状态时,outP达到最大值,放大器效率也较高。

这就是希望放大器工作在临界工作状态的原因。

集电极损耗功率outcPPP-=0,故cP曲线由0P与outP

曲线相减得出。

在欠压区,当eR减小,cP上升很快;

当eR=0时,cP达到最大值,可能使晶体管烧坏。

（这种情况是短路放大器的效率0

PPout=η,在欠压状态时,0P变化小,所以η随outP增加而增加,到临界状态后,outP下降没有0P快,在过压状态时,outP

主要是随mcI1急剧下降而下降,因而η也略有下降,故在靠近临界的弱过压状态η出现最大值。

3.放大器各级电压对工作状态的影响

（1bmU对工作状态的影响

在讨论激励电压幅度bmU的变化对放大器工作状态影响,设cE、bE、eR不变。

当bmU较小时,bmbbeUEU+=max也较小,从becUi-动态特性看出:

放大器工作在欠压状态,集电极电流为尖顶余弦脉冲。

当bmU增大时,maxcI、mcI1也增大,引起emccceRIEU1-=的减少。

从而使放大器由欠压状态过渡到过压状态。

如图6所示: